定义量子电路
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1.介绍
到目前为止，我们已经看到了各种单量子比特和多量子比特门。我们还看到了如何使用这些门与其他组件一起构建量子电路。
在真正的量子计算机上实现量子算法之前，重要的是要具体强调量子线路的定义，因为我们将构建量子线路来实现这些算法。
2.什么是量子电路？
量子线路是由量子数据(如量子比特)上的相干量子运算和并发实时经典计算组成的计算程序。它是量子门、测量和重置的有序序列，所有这些都可能以实时经典计算的数据为条件并使用这些数据。
如果量子数据的任何酉变换可以有效地近似为集合中的一系列量子门，则称一组量子门是通用的。任何量子程序都可以用量子电路序列和非并发的经典计算表示。
3.例子:量子隐形传态
看看下面的量子电路。你将在本章后面了解到它实现了量子隐形传态算法。现在，只要看看量子电路的组成部分就足够了。
量子电路使用三个量子比特和两个经典比特。这个量子电路有四个主要组成部分。
初始化和重置
首先，我们需要从一个明确定义的量子态开始我们的量子计算。这是通过初始化和重置操作实现的。重置可以通过单量子比特门和并发实时经典计算的结合来执行，该计算监视我们是否成功地通过测量创建了所需的状态。然后，通过应用单量子比特门，可以将 q_0 初始化到所需的状态 |ψ⟩ 。
量子门
其次，我们应用了一系列量子门，按照隐形传态算法的要求操纵三个量子比特。在这种情况下，我们只需要应用单量子比特哈达玛( H )和双量子比特受控X ( \oplus )门。
测量
第三，我们测量三个量子比特中的两个。经典计算机将每个量子比特的测量结果解释为经典结果(0和1)，并将它们存储在两个经典比特中。
经典条件下的量子门
第四，在第三个量子比特上应用单量子比特 Z 和 X 量子门。这些门以存储在两个经典位中的测量结果为条件。在这种情况下，我们在同一个量子线路中实时并发地使用经典计算的结果。
4.示例:变分量子本征求解器
这是一个量子程序的例子。在接下来的章节中，你将了解到它实现了一个变分量子特征求解器。在这个程序中，经典计算机与量子计算机非同时工作。
量子块
与上面的量子隐形传态示例一样，量子态 \vert\Psi(\theta)\rangle 是由单量子比特和多量子比特量子门的重置组合制备的。这里，状态的参数用参数 \theta 表示。一旦制备完成，就可以使用量子门对量子态进行操作和测量。量子块内的所有操作都由量子电路组成。
经典块
一旦量子态被测量，经典计算机就会解释这些测量结果，并使用为预期应用选择的成本函数计算它们的成本。基于这个代价，经典计算机确定了参数 \theta 的另一个值。
结合操作
一旦经典计算机确定了 \theta 的下一个参数，就会在量子电路中使用一系列重置、单量子比特量子门和多量子比特量子门来制备 \vert\Psi(\theta)\rangle ，这个过程将持续下去，直到测量到的量子态的成本稳定下来，或满足另一个预先确定的结果。
5.为什么要用经典部件?
虽然通用量子计算机可以做任何经典计算机可以做的事情，但我们经常将经典部件添加到量子电路中，因为量子态是脆弱的。
当我们测量量子比特时，我们坍缩了它的状态，并破坏了很多信息。因为所有的测量都会破坏信息，所以理论上我们总是可以最后测量而不会失去计算优势。实际上，尽早测量有很多实际的好处。
例如，在隐形传态电路中，我们测量量子比特，这样我们就可以通过经典信道而不是量子信道发送信息。优点是经典通道非常稳定，而我们没有真正的方法将量子信息发送给其他人，因为通道很难创建。
在变分量子本特征求解器示例中，将计算拆分为更小的量子计算实际上会使我们失去一些计算优势，但通过减少量子比特叠加的时间来弥补噪声硬件上的这一点。这意味着在我们的结果中引入不准确性的干扰几率更小。
最后，为了在经典的日常世界中使用量子计算的结果，我们需要在计算结束时测量和解释这些状态。